這個秘密已經在眾目睽睽之下隱藏了40年。但是，一位資深天文學家的洞察力在一年之內將其全部擺在了檯面上，除了利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡和退役的卡西尼探測器對土星的觀測外，還利用了旅行者1號和2號航天器以及退役的國際紫外線探測器任務。

土星龐大的環形系統正在加熱這顆巨行星的高層大氣。這種現像以前在太陽系中從未見過。這是土星和它的環之間意想不到的互動，有可能為預測其他恆星周圍的行星是否也有類似土星環系統的輝煌提供工具。

顯著的證據是過量的紫外線輻射，被視為土星大氣中熱氫的光譜線。輻射的顛簸意味著有東西從外部污染並加熱了上層大氣。

最可行的解釋是，冰環粒子雨點般地落在土星的大氣層上導致了這種加熱。這可能是由於微隕石的撞擊、太陽風粒子轟擊、太陽紫外線輻射或電磁力拾起帶電的塵埃。所有這些都是在土星引力場的影響下發生的，土星的引力場將粒子拉入行星。當美國宇航局的”卡西尼”號探測器在2017年任務結束時墜入土星的大氣層時，它測量了大氣層的成分，並證實許多顆粒正從星環中落入。

“雖然星環的緩慢解體是眾所周知的，但它對行星的原子氫的影響是一個驚喜。從卡西尼號探測器上，我們已經知道了星環的影響。然而，我們對原子氫含量一無所知。”巴黎天體物理研究所和亞利桑那大學月球與行星實驗室的Lotfi Ben-Jaffel說，他是3月30日發表在《行星科學》雜誌上的一篇論文的作者。

這是一張顯示土星Lyman-alpha隆起的合成圖像，是1980年至2017年期間美國宇航局的三個不同任務，即旅行者1號、卡西尼號和哈勃太空望遠鏡合力探測到的。2017年北半球土星夏季期間獲得的哈勃近紫外圖像被用來作為參考，勾勒出該行星的萊曼-阿爾法發射。星環看起來比行星本體暗得多，因為它們反射的紫外線要少得多。在星環和黑暗的赤道地區上方，萊曼-阿爾法凸起顯示為一個延伸的（30度）緯度帶，比周圍地區要亮30%。南半球的一小部分出現在星環和赤道地區之間，但它比北半球更暗。在隆起區以北（圖像的右上部分），圓盤的亮度隨著緯度的變化逐漸下降，朝向明亮的極光區，這裡顯示的是作為參考的極光區（不按比例）。極光區內的一個黑點代表了行星自旋軸的足跡。

據認為，冰環粒子在特定緯度上的雨點和季節性影響造成了大氣的加熱，使上層大氣中的氫氣在隆起區反射更多的太陽光。天文學家對環和上層大氣之間這種意想不到的相互作用進行了深入研究，以確定新的診斷工具，估計遙遠的系外行星是否有類似土星的擴展環系統。資料來源：NASA，ESA，Lotfi Ben-Jaffel (IAP & LPL)

“一切都由環狀粒子在特定緯度層疊進入大氣層所驅動。它們改變了上層大氣，改變了成分，”Ben-Jaffel說。”然後你也有與大氣氣體的碰撞過程，這些氣體可能正在加熱特定高度的大氣。”

Ben-Jaffel的結論需要將四次研究土星的太空任務的紫外光（UV）觀測檔案拉到一起。這包括美國宇航局的兩個旅行者探測器的觀測數據，它們在20世紀80年代飛過土星並測量了紫外線水平。當時，天文學家們將這些測量結果視為探測器的噪音。2004年抵達土星的卡西尼號任務也收集了大氣層的紫外線數據（歷時數年）。額外的數據來自哈勃和國際紫外線探測器，該探測器於1978年發射，是美國宇航局、歐空局（歐洲航天局）和英國科學與工程研究委員會的一項國際合作。

但揮之不去的問題是，所有的數據是否可能是虛幻的，或者反映了土星上的一個真實現象。

Ben-Jaffel決定使用哈勃太空望遠鏡成像光譜儀（STIS）的測量結果，這是拼湊拼圖的關鍵所在。它對土星的精確觀測被用來校準來自所有其他四個觀測土星的太空任務的紫外線數據檔案。他將STIS對土星的紫外線觀測結果與多個太空任務和儀器的光線分佈進行了比較。

“當一切都被校准後，我們清楚地看到，光譜在所有任務中都是一致的。這是有可能的，因為我們有相同的參考點，來自哈勃，關於幾十年來測量的大氣層的能量轉移率，”Ben-Jaffel說。”這對我來說真的是一個驚喜。我只是把不同的光分佈數據繪製在一起，然後意識到它是一樣的。”

“四十年的紫外線數據涵蓋了多個太陽週期，幫助天文學家研究太陽對土星的季節性影響。通過將所有不同的數據匯集在一起並進行校準，Ben-Jaffel發現，紫外線輻射的水平沒有區別。”他說：”在任何時候，在地球上的任何位置，我們都可以跟踪輻射的紫外線水平。這指出來自土星環的穩定的”冰雨”是最好的解釋。”

“我們只是處於這種環狀表徵對行星上部大氣的影響的開始。我們最終希望有一個全球性的方法，產生一個關於遙遠世界的大氣層的真正特徵。這項研究的目標之一是看我們如何能夠將其應用於圍繞其他恆星運行的行星。稱之為尋找’外環’。”